北京市海淀区某些重点企业周边表层土壤重金属污染风险评价与变化趋势研究

胡昱欣，宋 炜，周瑞静

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

近些年，随着“退二进三”“产业转移”“土十条”等政策相继落地，北京市对生产工艺落后、生产方式粗放、污染较重的工业企业逐步采取关闭、搬迁与腾退等措施。国内外从不同研究对象与用地类型等角度已开展了大量关于重金属健康风险、污染与来源等方面的研究（Zhao Xingqing et al., 2020；Chen Mo et al., 2017；Ahmed et al., 2016；Al-Hammad et al., 2016；Han Ping et al., 2014；Nwachukwu et al., 2010）。表层土壤为与人类接触最密切的土壤介质，易受外界环境的污染，尤以重金属富集最为常见。北京市从区域尺度上对城市公园用地、城区用地、城市绿地表层土壤中重金属污染分布特征与来源进行分析（安永龙等，2016；刘轶轩等，2017；刘玲玲，2020）；从城区尺度上对顺义、朝阳区五环内的绿地表层土壤重金属地球化学特征与影响因素进行了研究（余洪慧，2019；李婧等，2019）。然而，对于目前无法关停或搬迁的在产企业内部、周边一定范围内表层土壤环境状况的关注较高，对周边环境的影响研究仍待完善。

土壤污染评价方法较多，以单因子指数法、内梅罗综合污染指数法在污染评价中应用最多（沈城等，2020；黄安林等，2020）。地累积指数法反映人类活动对土壤本底环境的影响，被广泛应用于土壤中重金属累积评价（常家华等，2019；徐玉霞等，2013）。潜在生态危害指数法用于定量评价重金属污染物的生态危害程度，采用多种方法评价土壤环境质量是目前广泛采用的手段，可更好的反应土壤环境状况。本文以海淀区10家重点在产企业周边表层（0～20 cm）土壤为研究对象，采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数法与潜在生态危害指数法对2018—2020年企业周边表层土壤重金属进行污染、累积与生态风险评价，综合分析其累积来源与时空分布特征，对深入、细化地研究北京市海淀区土壤环境污染状况，具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海淀区位于北京市西北部，为典型的北温带半湿润大陆性季风气候（王志刚等，2020），常年主导风向为东北风。全区面积为430.77 km2（李茹茹，2017），约占北京市总面积的2.53%。本次研究选取了海淀区10家有代表性的重点在产企业，包括石油化工（ZSH）、垃圾填埋场（LLT）、半导体（RS）、医用材料（AT）、电子所（SW）与其他5家涉密企业，主要位于海淀区中心及东部区域。具有涉密企业较多、关注度较高、敏感性较强、涵盖行业类别较广的特点，且企业产生的生活污水排入市政管网，生产废水均经处理达标后方排入市政管网，部分企业运营过程中少量废气存在无组织排放，故主要考虑在大气沉降等作用下企业生产对周边环境的影响。

1.2 样品采集与分析

以重点企业为中心构建缓冲区，在海淀区主导方向下风向（西南向）距离企业75 m、200 m、400 m缓冲区处各设置1个采样点，在西北方向、东北方向与东南方向200 m缓冲区处各设置一个采样点。其中2家公司由于距离较近，故合布设9个采样点；其他企业周边均布设了6个土壤采样点。2018年9月、2019年6月、2020年4月，分别采集了57个表层土壤样品，并用高精度GPS对现场采样点位置进行定位。每个点位采集的样品量均不少于2.0 kg，于当天送抵实验室以备测试。土壤中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、As、Hg元素全含量测定均严格按照GB 36600－2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》推荐的方法，采样点分布见图1。

图1 研究区采样点分布图Fig. 1 Distribution of sampling points in the study area

1.3 数据处理与评价方法

（1）评价方法

采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法评价表层土壤重金属污染，采用地累积指数法、潜在生态危害指数法评价重金属蓄积程度与潜在生态风险。其中，单因子指数法评价结果分级标准为：P≤1为非污染，1 ＜P≤2为轻微污染，2 ＜P≤3为轻度污染，3 ＜P≤5为中度污染，P＞ 5为重度污染。内梅罗综合污染指数法评价结果分级标准为：PN≤0.7为安全，0.7≤PN≤1为清洁，1≤PN≤2为轻度污染，2≤PN≤3为中度污染，PN≥3为重度污染。地累积指数法评价结果分级标准为：Igeo≤0为无污染，0 ＜Igeo≤1为轻度—中等污染，1 ＜Igeo≤2为中等污染，2 ＜Igeo≤3为中等—强污染，3 ＜Igeo≤4为强污染，4 ＜Igeo≤5为强—极严重污染，5 ＜Igeo≤10为极严重污染。潜在生态危害指数法评价结果分级标准为：RI＜ 150为轻度潜在生态风险，150≤RI＜ 300为中度潜在生态风险，300≤RI＜ 600为强潜在生态风险，RI＞ 600为很强潜在生态风险（沈城等，2020；黄安林等，2020；徐玉霞等，2013；胡昱欣等，2021）。由于企业周边采样点处土壤现状用地类型为建设用地中第二类用地，故重金属筛选值选取第二类用地相应指标的筛选值或工业/商服用地的筛选值。根据相关文献，北京市土壤中As、Pb、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn元素的筛选值、北京市背景值与毒性系数取值见表1（陈同斌等，2004；李春兰等，1984；Hakanson，1980）。

表1 各重金属筛选值、北京市背景值与毒性系数取值Tab. 1 The screening value,background value of Beijing and toxicity coefficient value of heavy metal

（2）数据分析处理

本次统计特征采用SPSS 24.0计算，内梅罗综合污染指数法与地累积指数法评价采用Matlab 2020实现，绘图采用Origin 2018、ESRI ArcGIS 10.4软件实现。

2 结果与分析

2.1 数理统计与趋势分析

海淀区重点企业周边表层土壤pH、土壤有机质含量与阳离子交换量3年均值范围依次为8.09～8.33、15.10～19.00 g·kg-1、8.59～9.36 cmol·kg-1，土壤总体呈弱碱性环境。对Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、Hg、As全含量进行数理统计，2018—2020年每年所取样品数均为57，土壤中8项重金属检出率均为100%。由于重金属全含量均低于第二类用地类型相应指标的筛选值，故超标样品数和超标率均为0。2018—2020年海淀区重点企业周边表层土壤中重金属含量数理统计如表2所示，表层土壤中重金属含量均值柱状图如图2所示。

图2 2018—2020年重点企业周边土壤重金属变化趋势Fig. 2 Trend of soil heavy metals around key enterprises from 2018 to 2020

表2 土壤中重金属数理统计参数（单位：mg·kg-1）Tab.2 Statistics of mathematical parameters of heavy metals in soil (unit: mg·kg-1)

变异系数可以更好地分析数据的离散程度，相较于标准偏差可消除不同单位与量纲的影响，反映重金属空间分布差异性。结合表2与图2可知，2018—2020年海淀区重点企业周边表层土壤中Zn、Cr、Pb、Cd平均值逐年略有升高，Ni平均值逐年降低，其他元素存在微小幅度波动。总体上，土壤中8项重金属元素平均水平较稳定，变化趋势平稳，不存在大幅度波动。从监测数据离散程度看，2019年、2020年土壤中Cu、Cr、Ni、As元素含量检测值变异系数均低于0.20，为低变异度；Hg元素检测值在2018—2020年变异系数均相对较高。分析发现，2018—2020年，RS周边表层土壤中重金属的标准偏差整体大于其他企业。

2.2 相关性分析

采用Kolmogorov-Smirnov检验各重金属分布态势得出，Cu、Cr、Ni、As、Zn、Pb、Cd、Hg不完全呈正态分布，故采用Spearman非参数方法对数据进行相关性分析，结果如表3所示。由表3可知，Cu、Zn、Pb、Hg、Ni两两之间存在极显著相关性，As与Cd、Ni相关性均较好；Cr与其他重金属相关系数均低于0.22，相关性相对较弱，无极显著相关性。总体上，除Cr外多数重金属存在较好的相关性。

表3 土壤中重金属相关性分析Tab.3 Correlation analysis of heavy metals in soil

2.3 重金属污染与累积评价

采用单因子指数法与内梅罗综合污染指数法进行土壤污染评价，采用地累积指数法对2018—2020年土壤中8项重金属累积程度进行评价，污染评价结果见表4。重金属全含量散点图见图3，重金属各累积级别占比见图4。

图3 土壤8项重金属全含量散点图Fig. 3 Scatter diagram of total content about eight each heavy metal in soil

图4 重金属元素各累积级别百分比Fig. 4 Percentage of each cumulative level about heavy metal elements

表4 土壤污染评价结果Tab. 4 Results of pollution evaluation in soil

由表4可知，各重点企业周边调查点处表层土壤中8项重金属检测值均低于筛选值，不存在上述重金属污染。2018—2020年表层土壤中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、Hg、As元素单因子指数最大值（Pi,max）为0.77，小于1；内梅罗综合污染指数（PN）最大值为0.55，小于0.7，各企业周边采样点处土壤环境质量属于安全等级。土壤中Cr含量连续3年均高于背景值；2018—2020年土壤中Hg元素超背景值倍数最大值均较高，依次为9.18、5.69、6.25，2018年RS-D-1调查点处表层土壤Hg元素超背景值倍数为9.18。RS周边表层土壤中超背景值百分比接近100%，与地累积污染指数法评价结果一致，可见污染风险相对较大。

由图4可知，2019—2020年表层土壤中Cr累积率均为100%。除Cr、Cu外，2018—2020年间其他重金属元素地累积指数平均值均小于零。总体上，2018—2020年土壤中8项重金属累积百分比变幅较小，各元素累积程度表现为ICr＞IHg＞ICu＞IZn＞IAs＞I(Cd,Pb,Ni)。Hg元素在RS周边表层土壤中累积程度相对较高，最高为中等—强累积；Cu、Zn、As含量存在轻度—中等累积，其他元素累积风险可忽略。

2.4 生态风险评价

采用潜在生态危害指数法对2018—2020年海淀区重点企业周边表层土壤中重金属进行评价，各污染风险级别占比见图5。

图5 各污染风险级别所占百分比Fig. 5 Percentage of each pollution risk level about heavy metal elements

由图5可知，2018—2020年RI各风险级别占比存在小幅度波动，轻度潜在生态风险占比各年均最高；中等风险点位数占比存在一定波动，强风险点位数呈减小趋势。分析企业评价结果得出，RS、SW和LLT周边点位土壤中潜在生态风险相对较高。结合前述累积评价结果发现，RS表层土壤累积程度亦相对较高，需要加强对上述3家企业周边土壤环境监测，加强企业内部自行监测监管等。

3 讨论

3.1 评价方法对比

单因子指数法与内梅罗综合污染指数法的优势在于方法简单，多用于评价土壤是否存在重金属污染；地累积指数法侧重于反映人类活动对土壤本底环境的影响；潜在生态危害指数法则从重金属的毒性角度评价土壤的潜在生态风险，各方法可相互补充、综合反映土壤环境状况。通过评价可知，海淀区重点企业周边表层土壤重金属含量均低于筛选值，企业周边采样点处土壤不存在重金属污染，但部分企业周边表层土壤存在不同程度的重金属累积，如RS、SW点等，重点企业周边仅RS-D-3、LLT-O-3点位存在强生态风险。

3.2 累积来源浅析

土壤重金属累积一般包括自然源和人为源，自然源包括大气沉降、成土母质等；人为源种类较多，如工业生产、汽车尾气、污水灌溉等。2018—2020年土壤中Cr元素全含量变异系数0.11～0.25，空间分布差异性较小，分析Cr累积主要受成土母质影响，这与前人研究结果一致（安永龙等，2016）。2018—2020年土壤Hg的变异系数均大于0.5，最大为1.1；在RS周边表层土壤中最高为中等—强累积，超背景值倍数亦较高，分析Hg累积主要由于人为源中的点源污染造成。由于该公司主要生产半导体电子产品，存在涉重金属生产工艺，会对周边土壤Hg累积产生一定的影响。

4 结论

通过前述研究，获得如下结论：

（1）从土壤重金属污染和生态风险管控看，海淀区重点企业周边采集的表层土壤样品中8项重金属元素全含量均低于筛选值，各企业周边采样点处土壤质量为安全等级。RS、SW、LLT周边土壤潜在生态风险相对略高，建议加强土壤监测和生产监管。

（2）从土壤重金属含量变化趋势看，所有点位土壤中Zn、Cr、Pb、Cd历年检测平均值逐年略有升高，土壤中Ni平均值逐年略有降低，其他元素存在微小幅度波动，总体上变化趋势平稳。2018—2020年，RS周边表层土壤中重金属的标准偏差整体大于其他企业，其中Cu、Zn、Hg元素标准偏差相对更大。

（3）从重金属累积程度分析，表层土壤中Cr、Cu、Zn、Hg、As为主要累积元素，尤以Cr、Cu元素，且RS土壤累积程度相对较高。

（4）从重金属相关性和累积来源看，Cu、Zn、Pb、Hg、Ni两两之间存在极显著相关性，As与Cd、Ni相关性均较好，Cr与其他重金属元素相关性相对较弱。分析企业周边土壤中Cr累积主要受成土母质影响，Hg累积主要由点源污染造成。